從輕量化和提高靜穩性觀點出發，對樹脂制齒輪的用途要求高。但是，一般來說，與鋼制齒輪相比，存在強度不足的問題，適用領域沒有超出預期。在石井等人開發的護理、康復訓練、重作業支援機器用促動器中，內置的高速齒輪采用了能夠傳遞必要扭矩的鋼制齒輪，但為了輕量化和提高靜穩性，需要將其用樹脂代替。這次，我們以該準雙曲線齒輪為對象，對提高樹脂制齒輪強度的方案進行了驗證。

作為提高樹脂制齒輪強度的方法，迄今為止也在研究使用碳纖維樹脂制齒輪，碳纖維具有鐵的10倍的比強度和優異的特性，通過提高連續碳纖維的填充率，可以進一步提高其特性。

因此，本研究進行了高密度填充連續碳纖維的CFRP制高精度齒輪的制作和評價，并通過與具有優異強度特性的PEEK制高精度齒輪進行比較評價，確認了其有效性。

2. CFRP準雙曲線齒輪的設計與制作

如圖1所示，使用連續碳纖維作為樹脂準雙曲線齒輪的增強材料。將碳纖維沿著齒形呈螺旋狀配置。在一般的樹脂齒輪中，由于齒根強度不足導致的破損現象比較普遍，因此將碳纖維沿著齒的形狀取向，碳纖維抵抗齒輪齒根彎曲引起的拉力，從而提高齒輪齒根的強度。另外，如果斷續地使用纖維，則纖維端部的強度是由較低強度的基體樹脂的特性所支配，破損通常從該處開始。為了解決這一問題，我們使用PPS（聚苯硫醚）作為基體，將連續碳纖維配置成螺旋狀，可以均勻地強化齒輪整體。一般來說，樹脂齒輪與金屬相比，熱導率小，由于驅動引起的摩擦，溫度上升，強度有下降的傾向。之所以采用PPS，是因為在提高驅動時對摩擦熱的耐熱性的同時，在所有樹脂中強度和剛性也高，即使在高溫中機械性能的降低幅度也小。

圖1 采用的方法

 

 

 

CFRP準雙曲面齒輪的制作流程如圖2所示。以單向高密度（樹脂含量40±5wt%，碳纖維含量53%）填充碳纖維織物為原料。為了緩和沖壓成形時施加的碳纖維的應力，采用了大致符合齒輪齒形的預制件。由于準雙曲面齒輪沒有理論齒形，所以用3D掃描儀讀取市面上銷售的鋼制準雙曲面齒輪的形狀，制成沖壓模具。鋼制準雙曲面齒輪的齒輪規格如表1所示。通過將模壓成形的CFRP齒部嵌入成形，實現CFRP準雙曲面齒輪。用于嵌入成形的材料與CFRP齒部的基體材料相同，考慮耐熱性和成形性使用PPS。

 

表1 鋼制準雙曲面齒輪尺寸

 

 

 

 

圖2 CFRP準雙曲面齒輪制作流程

 

3. 評估方法

 

評估試驗用準雙曲面齒輪如圖3所示。作為CFRP準雙曲面齒輪的比較對象，準備了作為樹脂材料具有高強度的PEEK制準雙曲面齒輪。PEEK準雙曲面齒輪是以制作沖壓成形模具的數據為基礎，通過切削加工制作而成。此外，如果齒面含有增強纖維（短纖維），則會促進磨損，因此選定的PEEK材料不使用增強纖維。

評估試驗分靜強度試驗和耐久試驗，兩種試驗均采用鋼制游星齒輪作為配對齒輪。因此，運轉時摩擦熱可通過配對齒輪散熱，減小熱量對試驗的影響。

由于準雙曲面齒輪在旋轉方向上的特性不同，兩種試驗都從準雙曲面齒輪的上方看，均為逆時針旋轉。試驗環境在室溫下的大氣條件下實施。

在靜態強度試驗中，固定鋼制游星齒輪，以極低速驅動試驗用準雙曲面齒輪齒輪，測定了準雙曲面齒輪齒輪直至破損的變形量和轉矩。轉速為1mim-1，無潤滑。

耐久試驗是通過負載機施加恒定扭矩負載，測定了準雙曲面齒輪直至破損的轉速。由于本試驗是以檢測CFRP準雙曲面齒輪的有效性為目的，但實驗用準雙曲面齒輪轉速達到105時結束試驗。此外，本試驗再潤滑油潤滑的條件下進行。

 

 

圖3 準雙曲面齒輪

 

4. 評估結果

靜態強度試驗結果如圖4所示。當超過大扭矩時，扭矩減小是因為發生破損的原因。由圖可知，CFRP準雙曲面齒輪的大破損強度是265N·m，PEEK準雙曲面齒輪大破損強度是154N·m。兩者相比，CFRP齒輪的靜態強度為PEEK齒輪的1.7倍，證明碳纖維復合材料提高了齒根的強度。

耐久試驗結果如圖5所示。在負載扭矩為30N·m、即使旋轉105，也未發生破損，分別在在40N·m/旋轉4.8X104和50N·m/旋轉1.2X104時發生破損。而PEEK齒輪在負載扭矩為20N·m、旋轉105時未發生破損，但在40N·m/旋轉2.0X104和50N·m/旋轉3.6X103時發生破損。CFRP齒輪與PEEK齒輪的耐久性相比，在負載扭矩是40N·m時，CFRP是PEEK的2.4倍；在負載扭矩是50N·m是，CFRP是PEEK的3.3倍。

 

 

 

圖4 靜態試驗結果

 

 

 

 

 

圖5扭矩與疲勞壽命的關系

 

5.結束語

本次通過制作CFRP準雙曲面齒輪，并對其進行評估，CFRP齒輪與PEEK齒輪相比，具有約1.7倍的靜態強度和2~3倍的耐久性，顯示出優異的特性。

參考文獻

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